引水隧洞主洞与施工支洞交汇区围岩变形特征及变形风险评价研究

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在长距离深埋引水隧洞的施工过程中,通常会采用施工支洞以增加工作面。与常规隧洞相比,主洞与施工支洞交汇区的空间结构更为复杂,在主洞开挖扰动下往往会产生更大的变形,严重影响交汇区的施工安全。因此,科学有效地研究开挖过程中主洞与施工支洞交汇区围岩的变形特征及影响因素,准确地预测交汇区围岩的变形程度具有十分重要的意义。本文以香炉山隧洞为工程背景,通过现场地质探测与变形监测,获取准确的工程地质资料和变形监测数据,采用数值模拟和理论分析相结合的方式对主洞与施工支洞交汇区的围岩变形特征及规律进行研究,并提出了基于综合赋权法和TOPSIS法的交汇区围岩变形风险评价模型。主要研究内容及结论如下:(1)依据工程地质资料,对研究区的地质条件及潜在的工程地质问题进行分析,采用TSP系统、地质雷达与超前钻探相结合的超前地质预报方法,对研究工程段主洞与施工支洞交汇区进行超前地质探测,通过解译采集的交汇区地质数据,获取了交汇区围岩的物理力学参数,为后续的研究提供参考。根据勘察资料并结合超前地质预报结果,分析了交汇区岩体性质和不良地质体位置、规模。结果表明,研究区围岩级别以Ⅳ类围岩为主,围岩强度较低,完整性较差,节理、裂隙等构造结构面发育,随着隧洞开挖的深入,围岩条件可能进一步变差,围岩变形问题十分突出。(2)根据实际工程资料与超前地质探测结果,利用FLAC3D软件建立了主洞与施工支洞交汇区域开挖模型,通过现场变形监测数据,对数值模拟结果的准确性进行了验证。依据数值模拟结果,对交汇区隧洞顶部、隧洞底部、隧洞左侧、隧洞右侧围岩的变形空间特征进行了分析。根据建立的数值模型,进一步模拟了不同相交角度、隧洞埋深、围岩等级、开挖方法下的20种工况,研究了不同影响因素对主洞与施工支洞交汇区围岩变形规律,并分析了交汇区围岩变形对不同影响因素的敏感性。结果表明,由于施工支洞的存在,交汇区围岩变形明显增大,交汇区顶部最大位移增大约45%,底部最大位移增大约54%,两侧最大位移增大约34%;交汇区围岩变形出现明显的非对称、非均匀性特征,隧洞轴向上锐角侧围岩变形普遍大于钝角侧,隧洞径向上距离交叉口越近变形越大;在不同的影响因素中,围岩等级对交汇区围岩变形影响最大,其次是隧洞埋深、开挖方法,主洞与施工支洞相交角度对交汇区围岩变形影响最小。(3)综合考虑模拟研究成果与工程实际情况,基于TOPSIS法建立了主洞与施工支洞交汇区围岩变形风险评价模型。选取相交角度、到交汇中心距离、隧洞埋深、围岩等级及开挖方法五项为评价指标,采用层次分析法与熵权法相结合的综合赋权法确定各评价指标的综合权重,基于TOPSIS法建立了主洞与施工支洞交汇区围岩变形风险评价模型,并应用该模型对香炉山隧洞主洞与施工支洞交汇区域的围岩变形风险进行评价预测。通过工程验证表明,该模型在对多个洞段交汇区围岩变形预测中都表现出不错的准确性和实用性,可以为引水隧洞主洞与施工支洞交汇区的设计与施工提供合理的参考。
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